Разработка блока отображения информации БРК

Разработка блока отображения информации БРК

1. Анализ существующих методов и устройств для измерения высоты

1.1 Анализ существующих методов измерения дальности

1.1.1 Импульсный метод измерения дальности

1.1.2 Частотный метод измерения дальности

1.1.3 Фазовый метод измерения дальности

1.2 Анализ существующих устройств измерения дальности

1.2.1 Бортовой метеонавигационный радиолокатор «ГРОЗА»

1.2.2 Бортовой радиолокационный комплекс «БУРАН-72»

1.2.3 Авиационный комплекс радиолокационного обнаружения на Ан-71

1.2.4 Авиационный комплекс радиолокационного дозора и наведения А-50

2. Разработка структурной схемы блока отображения информации брк

2.1 Микроконтроллер. Ядро центрального процессорного устройства AVR

2.1.1 16-разр. таймеры-счетчики

2.2 УСАПП

2.3 Блок питания

2.4 ЭСППЗУ

3. Разработка электрической принципиальной схемы

3.1 Выбор микроконтроллера

3.2 Описание выводов

3.3 Выбор схемы супервизора питания

3.4 Выбор блока индикации

3.5 Выбор тактового генератора

3.6 Схема сопряжения с интерфейсом RS 232

3.7 Выбор источника стабилизированного питания Заключение Перечень ссылок

высота дальность микропроцессорный блок преобразователь

Радиолокация — область радиотехники, обеспечивающая радиолокационное наблюдение различных объектов, то есть их обнаружение, измерение координат и параметров движения, а также выявление некоторых структурных или физических свойств путем использования отраженных или переизлученных объектами радиоволн либо их собственного радиоизлучения.

Информация, получаемая в процессе радиолокационного наблюдения, называется радиолокационной. Радиотехнические устройства радиолокационного наблюдения называются радиолокационными станциями (РЛС) или радиолокаторами. Сами же объекты радиолокационного наблюдения именуются радиолокационными целями или просто целями. При использовании отраженных радиоволн радиолокационными целями являются любые неоднородности электрических параметров среды (диэлектрической и магнитной проницаемостей, проводимости), в которой распространяется первичная волна. Сюда относятся летательные аппараты (самолеты, вертолеты, метеорологические зонды и др.), гидрометеоры (дождь, снег, град, облака и т. д.), речные и морские суда, наземные объекты (строения, автомобили, самолеты в аэропортах и др.), всевозможные военные объекты и т. п. Особым видом радиолокационных целей являются астрономические объекты.

Передатчик РЛС вырабатывает высокочастотные колебания, которые модулируются по амплитуде, частоте или фазе иногда весьма сложным образом. Эти колебания подаются в антенное устройство и образуют зондирующий сигнал. Наибольшее применение находит зондирующий сигнал в виде последовательности равноотстоящих по времени коротких радиоимпульсов. Наряду с простыми радиоимпульсами может применяться внутриимпульсная частотная модуляция и фазовая манипуляция. Другим видом зондирующего сигнала является непрерывный. Здесь наряду с незатухающими гармоническими колебаниями могут использоваться частотно-модулированные и др.

Целью курсового проекта является разработка микропроцессорного блока отображения информации БРК. Чтобы достичь поставленной цели:

Ш Изучить существующие принципы измерения;

Ш Основываясь на технические требования выбрать необходимый принцип;

Ш Разработать принципиальную схему микропроцессорного блока измерительного преобразователя;

В результате был разработан микропроцессорный блок отображения информации БРК.

1. Анализ существующих методов и устройств измерения дальности

1.1 Анализ существующих методов измерения дальности

В задачах ПВО после обнаружения и опознавания цели стоит задача об определении параметров цели. В зависимости от ее решения зенитной управляемой ракете будет выдано соответствующее полетное задание и его корректировка во время следования ракеты к цели. Существуют несколько принятых в радиолокации систем координат. В зависимости от выбора системы координат, будут ставиться задачи об определении тех или иных параметров цели. Например, в земной сферической системе координат параметрами движения являются азимут, угол места, и дальность цели. Здесь дальность цели — это расстояние от РЛС до самой цели. В данной работе коснемся вопроса об измерении дальности. Рассмотрим, какие же на сегодня используются методы для ее определения в РЛС, а так же сущность этих методов.

1.1.1 Импульсный метод

Импульсный метод измерения дальности основывается на определении времени запаздывания характерного изменения амплитуды принимаемого радиолокационного сигнала. Антенна РЛС посылает мощный радиоимпульс, который отражается от цели и ей же и принимается. Т.к. скорость распространения СВЧ сигнала, в виде которого распространяется радиоимпульс, много больше скорости цели, то в хорошем приближении цель можно считать неподвижной. Тогда время, за которое радиосигнал достигнет цели — равняется времени, за которое отраженный сигнал достигнет антенны РЛС —. Т. е.

Т.о. сигнал испущенный антенной РЛС вернется на нее в отраженном виде через время

.

СВЧ сигналы распространяются с постоянной скоростью, поэтому

.

Мы учли, что скорость распространения СВЧ сигнала в воздухе примерно равна его скорости распространения в вакууме —. Учтем предыдущее выражение, и запишем равенство, определяющее дальность в зависимости от времени запаздывания :

(1.1)

Для того, чтобы постоянно определять дальность, РЛС должна испускать периодическую последовательность импульсов, — работать в импульсном режиме. Проанализированных данных достаточно, чтобы построить общую структурную схему.

Система синхронизации определяет импульсную работу РЛС. Она формирует видеоимпульсы через постоянные промежутки времени Т_и. Т_и называют периодом повторения импульса. Т.о. система синхронизации определяет период работы — один цикл определения дальности.

Передатчик включается получив очередной импульс от системы синхронизации и на промежутке времени формирует сигнал требуемой мощности, амплитуды и частоты. называют длительностью импульса.

На протяжении времени длительности импульса антенный переключатель направляет излучаемый сигнал на антенну. Затем переключается на приемник. Т.о. образом до конца периода система «ждет» отраженного сигнала. Заметим, что на переключение антенна затрачивает определенное время .

Приемник выделяет огибающую принятого сигнала и передает на оконечное устройство.

Оконечное устройство обычно выполняется в виде ЭЛТ, на экране которой расстояние между двумя соседними разновысокими пиками соответствует расстоянию до цели. В случае выполнения оконечного устройства на ЭЛТ, система синхронизации управляет работой генератора пилообразного напряжения, который выходит на горизонтально отклоняющую пластину. В то время как сигнал с приемника подается на вертикально отклоняющую.

Схематические графики зависимостей на разных структурных элементах будут выглядеть следующим образом:

Система синхронизации Передатчик Приемник Из равенства (1.1) следует, что t_D D. Т.о. выведя последний график на систему индикации (оконечное устройство), и соответствующим об разом проградуировав шкалу, будем иметь непосредственно значение дальности до цели.

Достоинства импульсного метода измерения дальности:

возможность построения РЛС с одной антенной;

простота индикаторного устройства;

удобство измерения дальности нескольких целей;

простота излучаемых импульсов, длящихся очень малое время, и принимаемых сигналов.

Недостатки:

Необходимость использования больших импульсных мощностей передатчика;

невозможность измерения малых дальностей большая мертвая зона Характеристика недостатков содержится в основных показателях импульсного метода измерения дальности:

Минимальная дальность действия (мертвая зона) импульсной РЛС:

(1.2)

где — время, затрачиваемое на переключение антенны.

Действительно, пока антенна излучает, система не может принимать сигнал.

Предел однозначного отсчета дальности:

(1.3)

Действительно, система «ждет» отраженного сигнала только до наступления момента излучения нового сигнала.

Потенциальная разрешающая способность по дальности:

(1.4)

Действительно, чтобы был скачок напряжения, соответствующий сигналу, отраженному от цели, сначала должен быть спад напряжения. Т. е. две цели можно различить лишь в случае, когда расстояние между ними .

Параметры излучения подбираются по полученным формулам таким способом, чтобы вышеописанные показатели были приемлемыми.

1.1.2 Частотный метод

Частотный метод измерения дальности основан на использовании частотной модуляции излучаемых непрерывных сигналов.

В данном методе за период излучается частота, меняющаяся по линейному закону от до. Т. е. за один период зависимость частоты излучаемого сигнала от времени:

(2.1)

В то время как отраженный сигнал придет промодулированным линейно в момент времени предшествующий настоящему на время задержки. Т.о. частота отраженного сигнала, принятого на РЛС, будет зависеть от времени следующим образом:

(2.2)

Вычитая из (2.1) (2.2), получим выражение для разностной частоты :

(2.3)

Выражая отсюда, и подставляя в (1.1), найдем зависимость дальности от разностной частоты:

(2.4)

Из графиков видно как определить время запаздывания — по резкой перемене в частоте разностного сигнала. Очевидно также, что в формулу (2.4) надо подставлять значение разностной частоты, полученное на промежутке времени (t_D; T_и).

Структурная схема частотного дальномера будет выглядеть следующим образом:

Модулятор формирует модуляцию частоты, вырабатываемой генератором СВЧ. После чего сигнал поступает на передающую антенну. Т.к. сигнал непрерывный, то требуется еще и отдельная принимающая антенна.

На приемник поступают прямой и отраженный сигналы, из которых на смесителе выделяется их разностная частота, значение которой после фильтровки передается на систему индикации.

Достоинства частотного метода измерения дальности:

позволяет измерять очень малые дальности;

используется маломощный передатчик.

Недостатки:

необходимо использование двух антенн;

ухудшение чувствительности приемника вследствие просачивания в приемный тракт через антенну излучения передатчика, подверженного случайным изменениям;

высокие требования к линейности изменения частоты.

1.1.3 Фазовый метод

Фазовый метод измерения дальности основан на измерении разности фаз излученных и принятых радиосигналов.

Структурная схема простейшого фазового измерителя дальности выглядит следующим образом:

Генератор ВЧ создает колебания, которые через передающую антенну излучаются во внешнее пространство с соответствующей фазой:

(3.1)

где — начальное значение фазы.

На приемную антенну поступает отраженный сигнал со значением фазы:

(3.2)

где — фазовый сдвиг при отражении, — фазовый сдвиг в цепях РЛС, — эта величина постоянна и ее можно подсчитать экспериментально.

Принятый сигнал усиливается и его фаза вместе с фазой первоначального сигнала, детектируемой на фазовом детекторе, поступает на измеритель выходного напряжения.

Т.е. на измеритель выходного напряжения придет сигнал с разностной фазой, полученной при вычитании из (3.1) (3.2):

(3.3)

Учтем, что

.

Тогда согласно выражению (1.1) (3.3) запишется в виде:

(3.4)

Большой недостаток в том, что здесь неизвестен фазовый сдвиг отраженного сигнала, который может меняться как угодно, причем существенным способом.

Поскольку, то из (3.4) следует однозначный диапазон измерения дальности:

(3.5)

Т.к. используются ультракороткие волны, то однозначный диапазон измерения дальности порядка единиц метра.

Поэтому на практике используют более сложные схемы, в которых присутствует две и больше частот.

Приведем пример двухчастотного фазового дальномера. Его структурную схему изобразим следующим образом:

Здесь частота определяет фазовые сдвиги, а играет роль переносчика информации.

На модуляторе формируется напряжение:

(3.6)

которое подается на генератор ВЧ, т.о. что напряжение на выходе генератора:

(3.7)

где — коэффициент модуляции.

Принятые сигналы после усиления детектируются, выделяется их огибающая, фаза которой сравнивается с фазой колебаний модулятора.

(3.8)

(3.9)

откуда получаем зависимость дальности от разности фаз:

(3.10)

Теперь при = 1000 с^-1, км.

Достоинства фазового метода измерения дальности:

маломощное излучение, т.к. генерируются незатухающие колебания;

точность не зависит от доплеровского сдвига частоты отражения;

достаточно простое устройство.

Недостатки:

отсутствие разрешения по дальности;

ухудшение чувствительности приемника вследствие просачивания в приемный тракт через антенну излучения передатчика, подверженного случайным изменениям.

1.2 Анализ существующих устройств измерения дальности

Радиолокационная станция (РЛС) или радамр (англ. radar от RAdio Detection And Ranging — радиообнаружение и дальнометрия) — система для обнаружения воздушных, морских и наземных объектов, а также для определения их дальности и геометрических параметров. Использует метод, основанный на излучении радиоволн и регистрации их отражений от объектов.

1.2.1 Бортовой метеонавигационный радиолокатор «ГРОЗА»

Радиолокатор предназначен для обнаружения опасных для полета областей активной грозовой деятельности, определения утла сноса самолета, а также обзора земной поверхности с целью ориентировки обзорно-сравнительным методом.

При необходимости могут быть поставлены отдельные узлы, блоки и детали, необходимые для ремонта РЛС «Гроза» в течение срока эксплуатации. Для оперативного обслуживания и обнаружения неисправностей РЛС на борту предприятие выпускает пульт контроля РЛС «Гроза» ГР 11А и ЗИПы. Предприятие может обеспечить гарантийное обслуживание и ремонт изделия в пределах установленного срока гарантии, а также помочь в продлении ресурса изделия до капитального ремонта по техническому состоянию при дефектации и устранении неисправностей.

Кроме этого, возможна организация оборудования рабочего места для ремонта и обслуживания РЛС с развертыванием стенда, консультации по текущему ремонту и комплектация рабочего места необходимой КПА и подготовка специалистов по обслуживанию РЛС «Гроза» .

Радиолокатор выполнен в виде функционально законченных блоков и предназначен для установки на воздушных судах гражданской и транспортной авиации Як-40, Як-42, Ил-62, Ил-86, Ан-24, Ан-26, Ан-30, Ая-32, Ту-134, Ту-154 и другие.

Основные технические характеристики Средняя дальность обнаружения при высоте полета 6000 м, км: крупный промышленный центр — 280, грозовая и кучево-дождевая облачность — 200, незастроенные участки суши и крупне водные ориентиры — 180. Сектор азимутального обзора, град., не менее. ±90. Угол наклона оси диаграммы направленности, град. минус 10—15. Частота излучаемых СВЧ колебаний, МГц — 9370. Импульсная мощность излучаемых СВЧ колебаний, кВт, не более 11. Рабочий температурный диапазон, «С минус 60. Гарантийный срок эксплуатации в течение трех лет, ч 3000. Назначенный ресурс, ч 1000. Масса, кг, не более: одинарная комплектація — 32, двойная комплектация — 60.

1.2.2 Бортовой радиолокационный комплекс «БУРАН-72»

Бортовой радиолокационный комплекс предназначен для измерения с высокой точностью координат ориентиров и выдачи необходимой информации в пилотажно-навигационную систему для коррекции текущих координат местоположения самолета (вертолета).

Комплекс обладает высокой степенью автоматизации управления и контроля работоспособности и обеспечивает в любых метеоусловиях и на любых широтах обнаружение и распознавание радиолокационных ориентиров (РЛО), радиолокационных маяков-ответчиков (РМО), а также опасных для полетов метеообразований, горных вершин и встречных летательных аппаратов.

Конструктивно «Буран-72» состоит из функционально законченных блоков: антенного РЛО, антенного РМО, приемопередающего блока, двух индикаторов, блока управления и обработки информации, и пульта управления. Кабельная сеть унифицирована в соответствии с требованиями АRINC-708, что дает возможность дальнейшего наращивания потребительских качеств.

РЛК «Буран-72» и его модификации устанавливаются на транспортные и военно-транспортные самолеты и вертолеты с сокращенным экипажем, в частности, размещены на самолетах Ан-72, Ан-74, Ан-72П, Ан-72ПС, Ан-71 и вертолете Ми-26.

Основные технические характеристики Дальность обнаружения метеообразований, км, не менее 550. Дальность обнаружения крупных городов, км, не менее 600. Показатель потенциала, дБ, не менее. Напряжение питания переменного тока частотой 400 Гц, В. Напряжение питания постоянного тока, В 27. Потребляемая мощность по цепи переменного тока, ВА, не болем 288. Потребляемая мощность по цепи постоянного тока, Вт, не более 165.

1.2.3 Авиационный комплекс радиолокационного обнаружения на самолете Ан-71

Авиационный комплекс предназначен для обнаружения и сопровождения воздушных и надводных целей, опознавания их государственной принадлежности, управления силами пресечения нарушения государственной границы.

Комплекс обеспечивает передачу потребителям данных о радиолокационной обстановке в зоне обзора и прием команд от пунктов управления, распознавание источников радиоизлучения и определение пеленгов на них.

Радиотехнический комплекс размещается внутри самолета-носителя, антенные системы:

— в обтекателе вне фюзеляжа, связные антенны — на фюзеляже. Основой комплекса является бортовая когерентная РЛС со сжатием импульсов, работающая с переменной частотой повторения зондирующих сигналов. Обнаружение целей осуществляется цифровой системой СДЦ.

Вычислительная система комплекса осуществляет:

— сбор и обработку информации, поступающей от систем комплекса;

— сопровождение целей;

— управление режимами работы всех систем;

— автоматический контроль работоспособности и обнаружение неисправностей;

— выдачу информации на средства отображения.

Комплекс оборудован тремя рабочими местами операторов с дисплеями и пультами управления.

Станция радиотехнической разведки обеспечивает обнаружение радиоизлучения в широком диапазоне частот, классификацию источников излучения и определение пеленга на них. Помимо этого, комплекс может быть доукомплектован вторичным радиолокатором типа MARK-ХII с режимами работы 1, 2, 3, 4, обеспечивающим также работу в режимах УВД А, С и моноимпульсном режиме S с передачей сообщений, имеющих расширенный формат.

Возможна разработка дополнительного оборудования для обнаружения радиоизлучений наземных аэродромных систем VOR и DМЕ, связанных систем ВЧ и УКВ диапазонов, необходимых для эксплуатации в районе применения.

Комплекс может эксплуатироваться в простых и сложных метеоусловиях днем и ночью на различных географических широтах.

Основные технические характеристики Диапазон частот UHF (В). Зона обзора: по дальности, км 350, по азимуту, град 360, по высоте, км 0 — 30.

Дальность обнаружения цели с СИГМАц=2 м2 при D=0,8 и F=10*-6 км 200. Количество одновременно сопровождаемых целей 120. Точность определения плоскостных координат, км 2,5. Темп обзора по азимуту, с 10. Коэффициент подавления отражений от земли, дБ 50 — 60. Продолжительность полета, ч 4 — 5. Рабочий температурный диапазон, минус 50 — 50.

1.2.4 Авиационный комплекс радиолокационного дозора и наведения А-50

Комплекс А-50 представляет собой радиотехнический комплекс, размещенный на самолете А-50 (модифицированный вариант Ил-76 МД).

Комплекс предназначен для обнаружения и сопровождения воздушных целей с определением их государственной принадлежности.

Помимо этого, комплекс обеспечивает:

— управление воздушным движением и наведением на цель;

— передачу данных радиолокационной обстановки в зоне обзора потребителям;

— прием команд с пункта управления;

— выполнение функций командного пункта управления;

— выявление источников излучения и определение пеленгов на них.

Радиотехнический комплекс размещен внутри фюзеляжа самолета-носителя, антенные системы локаторов — в обтекателе вне фюзеляжа. Основой РТК является трехкоор-динатная радиолокационная станция импуль-сно-доплеровского типа. Обнаружение целей осуществляется цифровой системой селекции движущихся целей.

На борту самолета размещаются вычислительный комплекс и рабочие места операторов. В экипаж входят пять человек летного состава и десять — персонала радиотехнического комплекса.

Основные технические характеристики Дальность обнаружения воздушных целей типа МиГ-21 на фоне земли, км, не более 230. Дальность обнаружения крупных морских целей, км, не более 400. Количество одновременно сопровождаемых целей, не более 50. Количество одновременно наводимых истребителей, не более 10. Дальность передачи информации на КП АСУ по радиолиниям, км: МВ, ДМВ диапазон, не более 350 КВ диапазон, не более 2000, спутниковая связь, не менее 2000.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ БЛОКА ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ БРК

В соответствии с выбранным методом измерения отраженного сигнала для блока отображения информации в БРК был осуществлён выбор основных блоков устройства и разработана структурная схема электронного блока устройства (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. — Структурная схема блока отображения информации БРК.

Блок отображения информации является одной из основных частей радиолокационной системы и может быть представлен в виде структурной схемы, представленной в приложении А. Основной составной частью индикатора есть микропроцессор Atmega 128. Для обеспечения работы микроконтроллера первоначально на программном уровне производится настройка портов D, A, C, Е, в которых записываются данные, поступающие на микроконтроллер.

2.1 Микроконтроллер. Ядро центрального процессорного устройства AVR

В данной схеме используется 8-разрядный AVR микроконтроллер с внутрисистемной программируемой флэш-памятью емкостью 128 кбайт — ATmega128 — маломощный 8-разрядный КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega128 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

В данном разделе описываются общие особенности архитектуры ядра AVR. Основная функция ядра ЦПУ заключается в гарантировании корректности выполнения программы. Помимо этого, ЦПУ должен иметь возможность адресоваться к различным видам памяти, выполнять вычисления, управлять периферийными устройствами и обрабатывать прерывания.

Краткий обзор архитектуры

Рисунок 2.2 — Функциональная схема архитектуры AVR

В целях достижения максимальной производительности и параллелелизма у AVR-микроконтроллеров используется Гарвардская архитектура с раздельными памятью и шинами программ и данных. Команды в памяти программ выполняются с одноуровневой конвейеризацией. В процессе выполнения одной инструкции следующая предварительно считывается из памяти программ. Данная концепция позволяет выполнять одну инструкцию за один машинный цикл. Память программ представляет собой внутрисистемно программируемую флэш-память.

Регистровый файл с быстрым доступом содержит 32×8-разр. рабочих регистров общего назначения с однотактовым циклом доступа. Благодаря этому достигнута однотактность работы арифметико-логического устройства (АЛУ). При обычной работе АЛУ сначала из регистрового файла загружается два операнда, затем выполняется операция, а после результат отправляется обратно в регистровый файл и все это происходит за один машинный цикл.

6 регистров из 32 могут использоваться как три 16-разр. регистра косвенного адреса для эффективной адресации в пределах памяти данных. Один из этих указателей адреса может также использоваться как указатель адреса для доступа к таблице преобразования во флэш-памяти программ. Данные 16-разр. регистры называются X-регистр, Y-регистр и Z-регистр и описываются далее в этом разделе.

АЛУ поддерживает арифметические и логические операции между регистрами, а также между константой и регистром. Кроме того, АЛУ поддерживает действия с одним регистром. После выполнения арифметической операции регистр статуса обновляется для отображения результата выполнения операции.

Для ветвления программы поддерживаются инструкции условных и безусловных переходов и вызовов процедур, позволяющих непосредственно адресоваться в пределах адресного пространства. Большинство инструкций представляют собой одно 16-разр. слово. Каждый адрес памяти программ содержит 16- или 32-разр. инструкцию. Флэш-память программ разделена на две секции: секция программы начальной загрузки и секция прикладной программы. Обе секции имеют раздельные биты защиты от записи и чтения/записи. Инструкция SPM (запись в секцию прикладной программы) должна использоваться только внутри секции программы начальной загрузки.

При генерации прерывания и вызове подпрограмм адрес возврата из программного счетчика записывается в стек. Стек эффективно распределен в статическом ОЗУ памяти данных и, следовательно, размер стека ограничен общим размером статического ОЗУ и используемым его объемом. В любой программе сразу после сброса должна быть выполнена инициализация указателя стека (SP) (т.е. перед выполнением процедур обработки прерываний или вызовом подпрограмм). Указатель стека — SP — доступен на чтение и запись в пространстве ввода-вывода. Доступ к статическому ОЗУ данных может быть легко осуществлен через 5 различных режимов адресации архитектуры AVR. Гибкий модуль прерываний содержит свои управляющие регистры в пространстве ввода-вывода и имеет дополнительный бит общего разрешения работы системы прерываний в регистре статуса. У всех прерываний имеется свой вектор прерывания в соответствии с таблицей векторов прерываний. Прерывания имеют приоритет в соответствии с позицией их вектора. Прерывания с меньшим адресом прерывания имеют более высокий приоритет.

Пространство памяти ввода-вывода содержит 64 адреса с непосредственной адресацией или может адресоваться как память данных, следующая за регистрами по адресам $ 20 — $5 °F. Кроме того, ATmega128 имеет пространство расширенного ввода-вывода по адресам $ 60 — $FF в статическом ОЗУ, для доступа к которому могут использоваться только процедуры ST/STS/STD и LD/LDS/LDD.

Для дальнейшей обработки этих данных необходимо настроить 16 — ти разрядный таймер счетчик.

2.1.1 16-разр. таймеры-счетчики

16-разрядные таймеры-счетчики предназначены для точного задания временных интервалов, генерации прямоугольных импульсов и измерения временных характеристик импульсных сигналов.

Основные отличительные особенности:

· 16-разрядные счетчики (в т.ч. возможность организации 16-разр. ШИМ);

· Три раздельных блока сравнения;

· Двойная буферизация регистров порога сравнения (OCR);

· Один блок захвата;

· Подавитель шума на входе блока захвата;

· Режим сброса таймера при совпадении с порогом сравнения (автоматическая перезагрузка);

· Широтно-импульсная модуляция без генерации ложных импульсов при записи нового порога сравнения в OCR (двойная буферизация) и фазовая коррекция;

· Переменный период ШИМ;

· Частотный генератор;

· Счетчик внешних событий;

· 10 самостоятельных источников прерываний (TOV1, OCF1A, OCF1B, OCF1C, ICF1, TOV3, OCF3A, OCF3B, OCF3C и ICF3).

В виду идентичности таймеров 1 и 3 в данном разделе используется общая форма записи. Так индекс «n» заменяет номер таймера-счетчика (1 или 3), а «x» заменяет наименование канала сравнения (A, B или C). Однако при программировании необходимо использовать фактические номера и наименования. Например, для записи нового состояния таймера-счетчика 1 в программе необходимо указывать TCNT1.

Укрупненная функциональная схема 16-разр. таймера-счетчика показана на рисунке 2.3. Если требуется конкретизировать расположение того или иного вывода см. «Расположение выводов». Регистры ввода-вывода, а также биты или линии ввода-вывода, к которым организован доступ от ЦПУ, выделены жирной линией. Описание регистров, расположение и назначение бит данных таймеров представлены в параграфе «Описание регистров 16-разр. таймеров-счетчиков» .

Рисунок 2.3 — Функциональная схема 16-разр. таймера-счетчика Как только счетчик досчитает импульсы до своего переполнения он сбрасывается, а полученное количество импульсов используется для определения частоты. После этого производится инициализация передающего устройства микроконтроллера, для разрешения работы передатчика. В регистры данных которого записывается полученное выше значение частоты. Вся информации с регистров передатчика поступает на УСПП и на ЖК-индикатор.

2.2 УСАПП

Универсальный синхронный и асинхронный последовательный приемопередатчик (УСАПП) предназначен для организации гибкой последовательной связи.

Отличительные особенности:

· Полнодуплексная работа (раздельные регистры последовательного приема и передачи);

· Асинхронная или синхронная работа;

· Ведущее или подчиненное тактирование связи в синхронном режиме работы;

· Высокая разрешающая способность генератора скорости святи;

· Поддержка формата передаваемых данных с 5, 6, 7, 8 или 9 битами данных и 1 или 2 стоп-битами;

· Аппаратная генерация и проверка бита паритета (четность/нечетность);

· Определение переполнения данных;

· Определение ошибки в структуре посылки;

· Фильтрация шума с детекцией ложного старт-бита и цифровым ФНЧ;

· Три раздельных прерывания по завершении передачи, освобождении регистра передаваемых данных и завершении приема;

· Режим многопроцессорной святи;

· Режим удвоения скорости связи в асинхронном режиме.

Флаги и прерывания передатчика

Передатчик УСАПП имеет два флага, которые индицируют его состояние: флаг освобождения регистра данных УСАПП (UDRE) и флаг завершения передачи (TXC). Оба флага могут использоваться для генерации прерываний. Флаг освобождения регистра данных (UDRE) индицирует готовность буфера передатчика принять новые данные. Данный бит устанавливается при освобождении передающего буфера и сбрасывается, когда буфер передатчика содержит данные для передачи, но которые еще не были переданы в сдвиговый регистр. Для совместимости с будущими микроконтроллерами в данный бит необходимо записывать ноль во время записи в регистр UCSRA.

Если записать лог. 1 в бит разрешения прерывания по освобождению регистра данных (UDRIE) в регистре UCSRB, то прерывание по освобождению регистра данных УСАПП будет выполняться всякий раз, когда устанавливается бит UDRE (с учетом того, что общие прерывания разрешены). UDRE сбрасывается при записи в UDR. Если используется управление связью по прерываниям, то в процедуре обработки прерывания по освобождению регистра данных необходимо или записать новые данные в регистр UDR для сброса флага UDRE или выключить прерывание по освобождению регистра данных. В противном случае при выходе из процедуры обработки прерывания сразу возникнет новое прерывание.

Флаг завершения передачи (TXC) принимает единичное значение, если вся посылка в сдвиговом регистре передатчика была полностью сдвинута и в буфере передатчика отсутствуют новые данные для передачи. Флаг TXC автоматически сбрасывается при переходе на вектор обработки прерывания по завершению передачи или программно сбрасывается путем записи в него лог. 1. Флаг TXC полезно использовать при организации полудуплексной связи (например, стандарт RS485), где имеется необходимость перевода передающей стороны в режим приема после завершения передачи, тем самым достигая освобождения шины.

Если разрешено прерывание по завершению передачи (TXCIE=1) в регистре UCSRB, то прерывание по завершению передачи УСАПП выполняется всякий раз, когда флаг TXC принимает единичное состояние (с учетом, что активно общее разрешение прерываний). При переходе на вектор обработки прерывания по завершении передачи УСАПП нет необходимости сбрасывать флаг TXC, т.к. это происходит автоматически.

2.3 Блок питания

Один из важных радиоэлектронных аппаратов — стабилизатор напряжения в блоке питания. Еще совсем недавно такие узлы строили на стабилитронах и транзисторах. Общее число элементов стабилизатора было довольно значительным, особенно если от него требовались функции регулирования выходного напряжения, защиты от перегрузки и замыкания выхода, ограничение выходного тока на заданном уровне.

С появлением специализированных микросхем ситуация изменилась. Выпускаемые микросхемные стабилизаторы напряжения способны работать в широких пределах выходных напряжения и тока, часто имеют встроенную систему защиты от перегрузок по току и от перегревания — как только температура кристалла микросхемы превысит допустимое значение, происходит ограничение выходного тока.

В настоящее время ассортимент отечественных и зарубежных микросхем — стабилизаторов напряжения настолько широк, что ориентироваться в нем стало уже довольно трудно.

2.4 ЭСППЗУ

Доступ к ЭСППЗУ осуществляется через специальные регистры, расположенные в пространстве ввода-вывода.

Время записи в ЭСППЗУ приведено в табл. 2. Функция самосинхронизации позволяет программно определить возможность записи следующего байта. Если код программы содержит инструкции записи в ЭСППЗУ, то должны быть приняты следующие меры предосторожности. У источников питания с хорошей фильтрацией напряжение VCC медленно нарастает/спадает при подаче/снятии питания. По этой причине микроконтроллер в течение некоторого периода времени может оказаться под меньшим напряжением питания, чем требуется для заданной тактовой частоты. В целях предотвращения неумышленной записи в ЭСППЗУ должна быть выполнена специфическая процедура записи.

Когда происходит считывание ЭСППЗУ ЦПУ задерживается на 4 машинных цикла до выполнения следующей инструкции. Во время записи в ЭСППЗУ ЦПУ задерживается на два машинных цикла до выполнения следующей инструкции.

3. Разработка электрической принципиальной схемы блока отображения информации БРК

Электрическая принципиальная схема индикатора измерителя, представлена в приложении Б, произведена на основе разработанной ранее структурной схемы. Выбранные элементы наиболее эффективно реализуют полученную схему.

Описание работы электрической принципиальной схемы индикатора Электрическая принципиальная схема индикатора измерителя (рисунок 3.1) основана на функционировании микроконтроллера Atmega 128. Питание всех элементов схемы осуществляется от источника стабильного напряжения DA1. Этот источник используется для питания стабилизированным напряжением 5 В. На источник стабильного напряжения подается постоянное напряжение от бортовой сети 27 В.

Частотный сигнал поступает на разъем ХР1, который потом передается на порт РD4 микроконтроллера. Полученная частота на программном уровне преобразуется в код, который поступает на выход микроконтроллера. После этого полученный код в виде адресов поступает на ЖК — индикатора.

В схеме еще имеется супервизор питания, который блокирует работу микроконтроллера при низком уровне напряжения питания. Так как при низком напряжении питания могут происходить незапланированные процессы во внутренней памяти и на линиях управления. Это может привести к повреждении информации в регистрах и в памяти данных.

В состав схемы еще входит УСПП — устройство, которое используется для передачи данных между двумя устройствами.

Рисунок 3.1 — Схема включения микроконтроллера Принципиальная схема электронного блока отображения информации БРК содержит нижеперечисленные элементы.

3.1 Выбор микроконтроллера

В данном измерителе будем использовать 8-разрядный AVR микроконтроллер с внутрисистемной программируемой флэш-памятью емкостью 128 кбайт — ATmega128 — маломощный 8-разрядный КМОП микроконтроллер, основанный на расширенной AVR RISC-архитектуре. За счет выполнения большинства инструкций за один машинный цикл ATmega128 достигает производительности 1 млн. операций в секунду/МГц, что позволяет оптимизировать соотношение энергопотребления и быстродействия.

Рисунок 3.2- Типовая схема включения микроконтроллера С3, С6 — конденсатор номиналом 100 нФ, 50В; С4, С5(керамические конденсаторы)-К10−17Б, 0,22 пФ; DD1 — микроконтроллер; ZQ1 — кварцевый резонатор НС 49U, 3,6864 МГц; L1 — катушка индуктивности SRR0603−100 ML 10мкГН.

Рисунок 3.3 — Расположение выводов у ATmega128

Назначение выводов микроконтроллера:

ѕ V_CC — напряжение питания цифровых элементов;

ѕ GND — общий.

ѕ RESET вход сброса. Если на этот вход приложить низкий уровень длительностью более минимально необходимой будет генерирован сброс независимо от работы синхронизации.

ѕ XTAL1 вход инвертирующего усилителя генератора и вход внешней синхронизации.

ѕ XTAL2 выход инвертирующего усилителя генератора.

Отличительные особенности микроконтроллера ATmega128

Микроконтроллер ATmega128 имеет следующие особенности:

· Высокопроизводительный, маломощный 8-разрядный AVR-микроконтроллер.

· Развитая RISC-архитектура:

— 133 мощных инструкций, большинство из которых выполняются за один машинный цикл;

— 32 8-разр. регистров общего назначения + регистры управления встроенной периферией;

· Полностью статическая работа;

· Производительность до 16 млн. операций в секунду при тактовой частоте 16 МГц;

· Встроенное умножающее устройство выполняет умножение за 2 машинных цикла;

· Энергонезависимая память программ и данных;

· Износостойкость 128-ми кбайт внутрисистемно перепрограммируемой флэш-памяти: 1000 циклов запись/стирание;

· Опциональный загрузочный сектор с отдельной программируемой защитой;

· Внутрисистемное программирование встроенной загрузочной программой.

· Гарантированная двухоперационность: возможность чтения во время записи:

— Износостойкость 4 кбайт ЭСППЗУ: 100 000 циклов запись/стирание;

— Встроенное статическое ОЗУ емкостью 4 кбайт;

— Опциональная возможность адресации внешней памяти размером до 64 кбайт;

— Программируемая защита кода программы;

— Интерфейс SPI для внутрисистемного программирования;

· Интерфейс JTAG (совместимость со стандартом IEEE 1149.1)

— Граничное сканирование в соответствии со стандартом JTAG

— Обширная поддержка функций встроенной отладки

— Программирование флэш-памяти, ЭСППЗУ, бит конфигурации и защиты через интерфейс JTAG

· Отличительные особенности периферийных устройств:

— Два 8-разр. таймера-счетчика с раздельными предделителями и режимами сравнения;

— Два расширенных 16-разр. таймера-счетчика с отдельными предделителями, режимами сравнения и режимами захвата;

— Счетчик реального времени с отдельным генератором;

— Два 8-разр. каналов ШИМ

— 6 каналов ШИМ с программируемым разрешением от 2 до 16 разрядов;

— Модулятор выходов сравнения;

— 8 мультиплексированных каналов 10-разрядного аналогово-цифрового преобразования

— 8 несимметричных каналов.

— 7 дифференциальных каналов.

— 2 дифференциальных канала с выборочным усилением из 1x, 10x и 200x.

— Двухпроводной последовательный интерфейс, ориентированный не передачу данных в байтном формате;

— Два канала программируемых последовательных УСАПП

— Последовательный интерфейс SPI с поддержкой режимов ведущий/подчиненный;

— Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;

— Встроенный аналоговый компаратор;

· Специальные возможности микроконтроллера:

— Сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания;

— Встроенный калиброванный RC-генератор;

— Внешние и внутренние источники прерываний;

— Шесть режимов снижения энергопотребления: холостой ход (Idle), уменьшение шумов АЦП, экономичный (Power-save), выключение (Power-down), дежурный (Standby) и расширенный дежурный (Extended Standby)

— Программный выбор тактовой частоты;

— Конфигурационный бит для перевода в режим совместимости с ATmega103

— Общее выключение подтягивающих резисторов на всех линиях портов ввода-вывода;

· Ввод-вывод и корпуса;

— 53 -программируемые линии ввода-вывода;

— 64-выв. корпус TQFP;

· Рабочие напряжения

— 4.5 — 5.5 В для ATmega128;

· Градации по быстродействию

— 0 — 16 МГц для ATmega128;

Рисунок 3.4 Внешний вид микроконтроллера ATmega128

Таблица 3.1 Размеры ножек ATmega128

Таблица 3.2 Параметры внешнего тактового сигнала Таблица 3.3. Типичные частоты при тактировании от внешней RC-цепи Примечание:

Сопротивление R должно находиться в пределах 3 кОм…100 кОм, а емкость не менее 20 пФ. Значения C представлены в таблице с учетом емкости вывода микроконтроллера. Емкость вывода может варьироваться в зависимости от типа корпуса.

TBD означает, что точное значение величины находится в состоянии определения.

Характеристики двухпроводного последовательного интерфейса

3.2 Описание выводов

Порт D (PD7.PD0)

Порт D — 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта D имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта D будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта D находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена.

Альтернативные функции выводов порта D

В микроконтроллере используем линии порта, А на вывод.

Порт A (PA7.PA0)

Порт A — 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта A имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта, А будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта A находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт, А также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее.

Альтернативные функции выводов порта, А Порт C (PC7.PC0)

Порт C — 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта C имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта C будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы.

Выводы порта C находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт C также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее. В режиме совместимости с ATmega103 порт C действует только на вывод, а при выполнении условия сброса линии порта C не переходят в третье состояние.

Порт E (PE7.PE0)

Порт E — 8-разр. порт двунаправленного ввода-вывода с внутренними подтягивающими к плюсу резисторами (выбираются раздельно для каждого разряда). Выходные буферы порта E имеют симметричную выходную характеристику с одинаковыми втекающим и вытекающим токами. При вводе, линии порта E будут действовать как источник тока, если внешне действует низкий уровень и включены подтягивающие резисторы. Выводы порта E находятся в третьем (высокоимпедансном) состоянии при выполнении условия сброса, даже если синхронизация не запущена. Порт E также выполняет некоторые специальные функции ATmega128, описываемых далее.

Для успешного функционирования некоторых сегментных, всех знакосинтезирующих и графических индикаторов, а также цветных панелей используют специальные контроллеры, которые управляют их работою. ЖКИ вместе с таким контроллером представляет собой ЖКИ — модуль.

Драйвер обеспечивает связь между основным ядром системы (микроконтроллером) и жидкокристаллической панелью. В основному драйвер способен только отобразить на дисплей информацию со своей внутренней памяти.

Контроллер способен выполнять команды управляющего контроллера системы, а также синтезировать текст, а также совмещать текст с графическим отображением.

Для соединения ЖКИ-модуля с управляющей системой применяется параллельная синхронная шина, которая имеет восемь линий данных DB0 — DB7, линия выбора регистра RS. Кроме линий управляющей шины существует две линии подачи напряжения 5 В: GND и Vcc, а также линия для подачи напряжения питания ЖКИ Vo.

3.3 Выбор схемы супервизора питания

Когда напряжение питание опускается ниже этого уровня, ЦПУ может начать выполнять некоторые инструкции неправильно. В результате могут происходить не запланированные процессы во внутренней памяти и на линиях управления. Это может привести к повреждению информации в регистрах ЦПУ, I/O регистрах и в памяти данных.

Для того чтобы избежать этого, необходимо не допустить выполнение кода ЦПУ, при провалах напряжения питания. Для этого лучше всего использовать внешний детектор пониженного напряжения питания. При уменьшении напряжения ниже фиксированного порога Vt, детектор формирует низкий (активный) уровень на выводе RESET. Это немедленно останавливает ЦПУ, не позволяя ему выполнять программу. Пока напряжение питания ниже порогового Vt, микроконтроллер остановлен, и система находиться в известном состоянии. Когда напряжение питания снова поднимается до установленного значения, вывод RESET освобождается и микроконтроллер начинает выполнять программу с адреса вектора сброса (0×0000). Рекомендуется устанавливать пороговое напряжение на 5−15% ниже рабочего Vcc, допуская таким образом небольшое колебание напряжения питания. Пороговое напряжение должно всегда выбираться так, чтобы детектор формировал сброс, когда напряжение становиться ниже минимально допустимого для ЦПУ. Необходимо гарантировать достаточно высокое пороговое напряжение детектора даже в самых плохих случаях.

Для предотвращения колебательного процесса при напряжении питания равном порогу сброса мы должны удлинить импульс сброса. Импульс сброса должен удерживаться в течение определенного времени после превышения порога детектора, напряжением питания. Этот интервал называется период сброса. Этот период начинает формироваться, когда напряжение питания пересекает пороговое напряжение детектора. Когда медленно увеличивающееся напряжение питания вызывает многократное переключение детектора, каждый раз, должен происходить перезапуск периода сброса для предотвращения колебания сигнала сброса микропроцессора.

Устройства, выполняющие эту основную функцию, существуют давно, а в последние годы они стали доступны и в миниатюрных трехножечных SOT23 корпусах. Первое SOT23 устройство (MAX809) стало наиболее повторяемым индустриальным стандартом. Универсальный MAX 809 выпускается с несколькими пороговыми напряжениями, задаваемыми при производстве, и гарантирует точность ±2,6% в диапазоне -40°C до +85 °C. Кроме того, MAX 809 гарантирует минимальный период сброса в 140 мс. MAX 809 удовлетворяет всем указанным выше требованиям к супервизорам, и более прост в использовании, чем дискретные компоненты. Рисунок 3 иллюстрирует применение MAX809.

Рисунок 3.5 — Схема подключения супервизора к микроконтроллеру Рисунок 3.6 — Внешний вид и цоколевка супервизора питания

Таблица 3.5 — Описание выводов

Таблица 3.6 — Технические характеристики

3.4 Выбор блока индикации

Исходя из места установки прибора, можно выбрать светодиодный или жидкокристаллический индикатор. Применим «линейки» или единичные индикаторы. Если среди индикаторов остался выбор, выбираем такой, чтобы источник его питания не был громоздким.

В настоящее время наибольшей популярностью пользуются ЖКИ и светодиодные индикаторы. Для данного устройства будет использоваться условия применения прибора, следует выбирать соответствующий цвет индикатора. Так в условиях плохой освещаемости следует выбирать индикатор красного света, при хорошей освещаемости — зеленый или синий.

Следует учитывать, что индикация обычно питается напряжением не пригодным для цифровой техники (7;12;2;5В).

WH1602A-NBG-CT

Рисунок 3.7 — Схема включения жидкокристаллического індикатора Таблиця 3.7 — Назначение выводов WH1602A-NBG-CT

Таблица 3.8 Механические данные

Таблица 3.9 Максимальная частота

Таблица 3.9 Электрические характеристики

Рисунок 3.8 Упрощенная структурная схема контроллера N044780

Технические параметры индикатора типа WH1602A-NBG-CT:

ѕ количество символов: 16;

ѕ количество строк: 2;

ѕ подсветка: да;

ѕ температурный диапазон: расширен.;

ѕ встроенные фонты: рус./англ.;

ѕ напряжение питания: 5 В.

Перед началом рассмотрения принципов управления ЖКИ-модулем, обратимся к внутренней структуре контроллера НБ44 780, чтобы понять основные принципы построения ЖКИ-модулей на его основе. Эта информация позволит понять способы организации модулей различных форматов с точки зрения программной модели, а также мотивации конструкторов ЖКИ-модулей.

Упрощенная структурная схема контроллера приведена на рис. 5. Можно сразу выделить основные элементы с которыми приходится взаимодействовать при программном управлении: регистр данных (БК), регистр команд (ГО.), видеопамять (БОКАМ), ОЗУ знакогенератора (СОКАМ), счетчик адреса памяти (АС), флаг занятости контроллера.

Другие элементы не являются объектом прямого взаимодействия с управляющей программой — они участвуют в процессе регенерации изображения на ЖКИ: знакогенератор, формирователь курсора, сдвиговые регистры и драйверы (напоминаем, что приведенная схема — упрощенная, и многие не важные для получения общей картины промежуточные элементы на ней опущены).

Управление контроллером ведется посредством интерфейса управляющей системы. Основными объектами взаимодействия являются регистры и ГО. Выбор адресуемого регистра производится линией ЯБ, если = 0 — адресуется регистр команд (ГО), если = 1 — регистр данных (БЯ).

Данные через регистр БЯ, в зависимости от текущего режима, могут помещаться (или прочитываться) в видеопамять (БОКАМ) или в ОЗУ знакогенератора (СОЯЛМ) по текущему адресу, указываемому счетчиком адреса (АС). Информация, попадающая в регистр ГО, интерпретируется устройством выполнения команд как управляющая последовательность. Прочтение регистра ГО возвращает в 7-ми младших разрядах текущее значение счетчика АС, а в старшем разряде флаг занятости (ВБ).

Видеопамять, имеющая общий объем 80 байтов, предназначена для хранения кодов символов, отображаемых на ЖКИ. Вмдеопамять организована в две строки по 40 символов в каждой. Эта привязка является жесткой и не подлежит изменению. Другими словами, независимо от того, сколько реальных строк будет иметь каждый конкретный ЖКИ-модуль, скажем, 80×1 или 20×4, адресация видеопамяти всегда производится как к двум строкам по 40 символов.